[論文レビュー] Software-Based Fault Recovery via Adaptive Diversity for COTS Multi-Core Processors

Andrea Höller, Tobias Rauter+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2015

Radiation Effects in Electronics参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、COTSマルチコアプロセッサにおける恒久的ハードウェア障害からの回復を可能にするソフトウェアベースの故障回復メカニズムを提案している。静的コンパイル技術（例：レジスタ固有のコンパイラフラグ）を用いて動的に多様性を持つソフトウェアレプリカを生成することで、故障したハードウェアコンponentを回避し、ハードウェアの変更なしに故障マスキングを実現する。

ABSTRACT

The ever growing demands of embedded systems to satisfy high computing performance and cost efficiency lead to the trend of using commercial off-the-shelf hardware. However, due to their highly integrated design they are becoming increasingly susceptible to hardware errors (e.g. caused by radiation-induced soft-errors or wear-out effects). Since such faults cannot be fully prevented, systems have to cope with their effects. At the same time there is the trend of multi-core processors in embedded systems. Approaches to achieve fault tolerance by using the multiple cores to establish redundancy have been presented in literature. However, typically only homogeneous redundancy techniques are considered to tolerate soft errors. However, there is a lack of appropriate reaction mechanisms for restoring the system in case of permanent hardware faults. Here, we propose the basic idea of enhancing multi-core redundancy techniques with a cost-efficient automated introduction of diversity in the executed software replicas. Recently, these automated software diversity techniques have attracted attention in the security domain. We propose to use these techniques to recover from permanent hardware faults. This is achieved by adapting the software execution in such a way that permanent faults are mitigated.

研究の動機と目的

• 安全で制御が重要な組み込みシステムに使用されるCOTSマルチコアプロセッサにおける恒久的ハードウェア障害の増加する課題に対処すること。
• 同種の冗長性では、冗長コアに恒久的障害が生じた場合に回復できないという限界を克服すること。
• Cybersecurity分野で開発された自動ソフトウェア多様化技術を活用することで、コスト効率の良い故障回復を実現すること。
• 実行時において、検出された恒久的ハードウェア障害を回避するように、冗長コア上のソフトウェア実行を適応的に再配置するメカニズムを開発すること。
• 静的多様化技術を用いて障害マスキングを行うソフトウェアバリアントを生成するリモートバイナリ生成プロセスを導入すること。

提案手法

• リモートサーバーを用いて、ソースコードの変異やコンパイラフラグの操作（例：-ffixed-reg）などの静的多様化技術を用いて、多様なソフトウェアバイナリを生成する。
• QEMUベースのフレームワークを用いて故障注入を行い、ハードウェア障害（例：レジスタ、命令デコーダ、メモリ障害）をシミュレートし、マスキングカバレッジを評価する。
• 故障注入シミュレーションの出力と、故障のないハードウェア上で得られたゴールデンリファレンスの出力を比較することで、故障マスキング確率を評価する。
• 特定のハードウェア障害をマスキングする確率が最も高いバイナリバリアントを選択し、組み込みデバイスに送信する。
• 選択された多様なバイナリをマルチコアシステムに統合し、故障したコアでの実行を置き換えたり再構成したりする。
• 組み込み自己診断テストや冗長性（例：TMR）を用いて障害を検出し、その後、適応的多様化に基づく回復プロセスを起動する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動ソフトウェア多様化技術は、マルチコアシステムにおける恒久的ハードウェア障害からの回復に効果的に適用可能か？
• RQ2 レジスタ障害や命令デコーダ障害などの特定のハードウェア障害タイプをマスキングするために、どの静的多様化技術（例：コンパイラフラグ、コード変異）が最も効果的か？
• RQ3 ソフトウェアベースの故障注入とテスト入力セットを用いることで、故障マスキング確率をどのように正確に推定できるか？
• RQ4 リアルタイム組み込みシステムに動的ソフトウェア多様化を導入した場合の、性能と決定論的特性のトレードオフは何か？
• RQ5 再発する障害を検出し、冗長コア上の実行多様性を適応的に変更することで、どのように応答できるか？

主な発見

• コンパイラフラグ（例：-ffixed-reg）を用いることで、故障したレジスタの使用を効果的に回避でき、レジスタレベルのハードウェア障害をマスキングするバイナリの生成が可能になる。
• QEMUベースのフレームワークを用いた故障注入により、ソフトウェアバイナリ上でハードウェア障害をシミュレートし、故障マスキングカバレッジを正確に推定できる。
• ゴールデンリファレンス（故障のないハードウェア上で得られた出力）と一致するテスト入力の割合が、故障マスキング確率の信頼性の高い近似値を提供する。
• 故障注入と確率的評価を組み合わせた静的多様化技術により、既知の恒久的ハードウェア障害を回避するソフトウェアバリアントを生成できる。
• ハードウェアの変更なしに恒久的障害からの回復が可能であり、従来の故障耐性メカニズムに比べて低コストな代替手段を提供する。
• 自動ソフトウェア多様化をマルチコア冗長性システムに統合することで、組み込みアプリケーションにおけるシステム可用性の向上に実現可能な道筋が示された。